NO316811B1 - Fremgangsmate for lasersveising av arbeidsstykker - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for lasersveising av metall-arbeidsstykker, særlig aluminium eller aluminiumlegeringer. I fremgangsmåten blir sveisestedet spylt med en prosessgass.

Lasersveising er kjent fra tidligere allmenn bruk. I denne teknikken fokuseres en laserstråle på arbeidsstykket som skal sveises. Ofte tilføres en prosessgass som må tilfredsstille et antall krav samtidig til sveisestedet. Hensikten er på den ene siden å beskytte laseroptikken som anvendes fra skvetter og forurensninger og på den andre siden å forhindre eller begrense uønskede reaksjoner mellom den omgivende atmosfæren og sveiseområdet. Generelt rettes prosessgassen gjennom en dyse som er koaksial med hensyn til laserstrålen, selv om en andre dyse under visse omstendig-heter som er rettet transversalt med hensyn til laserstrålen kan anvendes i stedet eller i tillegg.

JP 61232087 vedrører en fremgangsmåte for lasersveising av stålplater, hvor det til sveisepunktet tilføres en gassblanding som bl.a. omfatter nitrogen. Andre gasser som er brukt, er argon eller helium, der argon er gassen som fore-trekkes .

I tidligere kjent teknikk anvendes som regel inertgasser som prosessgass. Nitrogen og argon er gasser som er til-gjengelige til lave priser, men de har den ulempen at laserstrålen vekselvirker med nitrogenmolekylene eller argon-atomene slik at det dannes et prosessgass-plasma som er uønsket ved mange anvendelser, fordi den reduserer sveise-virkningsgraden. Derfor benyttes ofte prosessgasser som inneholder omtrent lik 30 % eller mer helium i argon. Helium undertrykker plasmadannelse i prosessgassen.

Oppfinnelsen er begrunnet i formålet om å tilveiebringe en fremgangsmåte for lasersveising av den typen som er nevnt i begynnelsen som tillater at effektiv sveising kombineres med god kvalitet på sveisesømmene.

Oppfinnelsen oppnår dette formålet ved å benytte en blanding av minst en inertgass og minst 0,5 % volumprosent nitrogen som prosessgass. Inertgassinnholdet i prosessgassen består av rent helium.

I oppfinnelsens kontekst betyr betegnelsen "prosessgass" enhver gassblanding som tilføres sveisestedets område under lasersveising, for eksempel for å beskytte dette området fra den omgivende atmosfæren.

Under lasersveising kan energien overføres fra laserstrålen til materialet som skal sveises på to måter. For det første kan det være en direkte vekselvirkning mellom laserstrålen og materialet i arbeidsstykket, slik at materialet i arbeidsstykket fordampes eller at et metalldamp-plasma dannes. For det andre kan laserstrålen vekselvirke med og ionisere prosessgassen, slik at det dannes et prosessgass-plasma (som ikke må forveksles med metalldamp-plasmaet). Denne plasma-dannelsen i prosessgassen er kjent som en plasmaflamme. Prosessgass-plasmaet overfører i sin tur noe av dets energi til arbeidsstykket.

Plasmaflamme-dannelsen i prosessgassen er i seg selv uønsket, fordi den reduserer lasersveisingens virkningsgrad. Inertgasser som oppviser liten eller ingen tendens til plasma-dannelse er derfor foretrukket for lasersveising. Derfor er det i tidligere kjent teknikk ofte anvendt rent helium eller helium-argon-blandinger med høyt innhold ,av helium (for eksempel 50-70 volumprosent) for lasersveising (cf. DE 43 29 127 Al).

Når laserstrålen kommer i kontakt med arbeidsstykket, gitt tilstrekkelig lasereffekt, blir resultatet et såkalt keyhole, som dannes ved spontan fordampning av materialet og fremmer dyp inntrengning av laserstrålen inn i arbeidsstykket. I tilfelle av metaller som ikke er 100 % irene eller i tilfelle av metall-legeringer, kan bestanddeler av materialet som har et i sammenligning lavt kokepunkt fordampe eksplosivt i laserstrålen, og den resulterende endringen i trykkforholdene kan forårsake uønskede inklusjoner i arbeidsstykket, som f,or eksempel porer. Dette kan ha en spesielt ødeleggende effekt i tilfellet av arbeidsstykker laget av aluminium og aluminiumlegeringer, for eksempel. Aluminium koker ved 24 67 °C, mens magnesiumet som finnes i mange aluminiumlegeringer koker ved bare 1107 °C.

Oppfinnelsen har erkjent at disse uønskede hendelsene, som forringer sveisesømmens kvalitet, kan undertrykkes ved å tilføre minst 0,5 volumprosent nitrogen til inertgass-blandingen. Nitrogenet i blandingen blir i en viss utstrekning ionisert og/eller dissosiert av laserstrålen. Det er funnet at denne dannelsen av prosessgass-plasma stabiliserer sveise-keyhole og undertrykker uønskede eksplosive fordampningsfenomener i arbeidsstykket. Den direkte veksel-virkningen mellom laserstrålen og metallet undertrykkes lett, og plasmaflammen som dannes i en viss utstrekning er antatt å virke som en slags buffer som gjør sveiseoperasjonen mer uniform og således forhøyer sveisesømmens kvalitet. Derfor blir ifølge oppfinnelsen en lett forringelse av sveise-virkningsgraden som et resultat av plasmaflamme-dannelse bevisst akseptert for å oppnå en sveisesøm med høyere kvalitet og for å tillate at prosessen utføres uniformt og sikkert.

Selv om det allerede er kjent fra DE 43 29 127 Al, som nevnt ovenfor, å benytte en inertgass som inneholder 80-250 vpm nitrogen eller nitrogenoksider som beskyttelsesgas's gjennom lasersveising av aluminium, er denne tidligere kjente teknikken fjernt fra den foreliggende oppfinnelsen, siden den uttrykkelig konstaterer at et nitrogeninnhold på over 250 vpm har en ugunstig innvirkning på sveisens utseende og sveise-kvaliteten. Den foreliggende oppfinnelsen har overraskende erkjent at nitrogeninnhold som er høyere med en faktor på minst 200 enn det maksimale innholdet beskrevet i denne publikasjonen faktisk resulterer i betydelig forbedrede søm-kvaliteter. Resultatene inkluderer blant annet dypere inntrengning og forskjellig poredannelse.

Det er spesielt fordelaktig at inertgass-fraksjonen i prosessgassen er rent helium. Helium ioniseres av laserstrålen kun i svært begrenset omfang, og i dette tilfellet dannes prosessgass-plasmaet i det vesentlige ved ionisering og/eller dissosiasjon av nitrogen. Selv om det også er mulig for argon å være til stede i inertgass-blandingen, reduserer dette virkningen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, siden ioniseringspotensialet for argon er mindre enn ionisering/dissosierings-potensialet for nitrogen.

Nitrogeninnholdet er fortrinnsvis minst 1 volumprosent, mer foretrukket minst 3 volumprosent, enda mer foretrukket minst 5 volumprosent, spesielt 10-50 volumprosent. Det optimale nitrogeninnholdet i prosessgassen er også avhengig av materialene som skal sveises. Ved sveising av aluminium og aluminiumlegeringer har et nitrogeninnhold på 10-15 % vist seg å være fordelaktig, mens ved sveising av stål som inneholder austenittiske mikrostrukturene bestanddeler er det foretrukne innholdet omtrent 30 volumprosent. Et overskytende nitrogeninnhold kan føre til uønsket nitrid-dannelse som kan ha en uheldig virkning på dynamiske og statiske fasthetsegenskaper i sveiseskjøten.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes med spesiell fordel for sveising av metall-arbeidsstykker av aluminium eller en aluminiumlegering. Slike legeringer er for eksempel AlMgMn, AlMgSi, AlMg og AlZnMg. Ved bruk av en Nd:YAG-laser med en stråleeffekt på 3 kW er det mulig eksempelvis å sveise arbeidsstykker som er opp til 5 mm tykke og er laget av disse legeringene ved hastigheter på fra 2-12 m per minutt.

Andre materialer som kan sveises ifølge oppfinnelsen er stål som har austenittiske mikrostrukturene bestanddeler, for eksempel austenittisk stål eller austenittisk-ferrittisk stål.

I stål med austenittiske mikrostrukturene bestanddeler* som for eksempel austenittiske rustfrie stål, duplex-stål eller superduplex-stål antas nitrogeninnholdet i prosessgassen å ha en videre virkning. Dissosiert nitrogen inkorpo-reres i materialet og bidrar til stabilisering av austenitt-innholdet i sveisesømmens mikrostruktur.

En eksempelvis utførelse av oppfinnelsen er beskrevet nedenfor med henvisning til tegningen, som skjematisk fremstiller vesentlige komponenter av et sveiseapparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Ved hjelp av en fokuseringslinse 2 rettes en laserstråle

1 på arbeidsstykket 5 som skal sveises. Strålen passerer gjennom en dyse 3 og dens åpning 11. Laseren selv er ikke vist på tegningen; passende lasere er kjent for fagmannen.

Som eksempel er det mulig å benytte en C02~laser eller en faststoff-laser, såsom for eksempel en Nd:YAG-laser. Passende stråleeffekter ligger, for eksempel, i området fra 1-3 kW. Høyere lasereffekter kan også anvendes dersom det er hensiktsmessig, men i dette tilfellet er det foretrukket å benytte speiloptikk for å fokusere laserstrålen. Fokuserings-linsen 2 fokuserer laserstrålen på toppen av arbeidsstykket 6 som skal sveises. Diameteren av dyseåpningen 11 kan ligge i området fra 3-15 mm, fortrinnsvis 7-10 mm. Avstanden mellom dyseåpningen 11 og overflaten av arbeidsstykket 6 ligger fortrinnsvis i området fra 10-15 mm.

Dysen 3 har en fødeledning 5, gjennom hvilken prosess føres inn i et kammer 4. Prosessgassen som er benyttet- er en He-N2-blanding som inneholder 10 volumprosent nitrogen. Volumet av prosessgassen som tilføres er fortrinnsvis 30

l/min (målt ved standard temperatur og trykk).

Metallplaten 6 som skal sveises er understøttet av en støtteanordning 9. For å styre eller holde arbeidsavstanden konstant kan dysen 3 være utstyrt med en avstandsføler 7 (for eksempel en induktiv avstandsføler-anordning).

Under sveiseoperasjonen føres metallplaten 6 gjennom sveiseapparatet ved en hastighet på for eksempel 6 m/min, i retning av pilen som er vist i fig. 1. Det meste av energien i laserstrålen 1 vekselvirker direkte med materialet i. metallarket 6 i sveisestedets område. Det er en begrenset vekselvirkning mellom laserstrålen og prosessgassen som et resultat av dissosiasjon og ionisering av prosessgassen og påfølgende plasmadannelse, i den grad at sveise-keyhole stabiliseres- Denne fordelaktige virkningen av oppfinnelsen er spesielt merkbar dersom høye lasereffekter på mer enn 3 kW (og passende speiloptikk for fokuseringsformål) og en korresponderende høy effekt-tetthet benyttes i sveisestedets område.

Innenfor oppfinnelsens kontekst kan prosessgassen også tilføres på forskjellige måter, for eksempel via en dyse som er anordnet på siden og ikke er vist på tegningen. En slik dyse kan tilføyes enten i tillegg til eller i stedet for dysen 3.

Et eksempel hvor fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes er for sveising av austenittiske rustfrie stål (AISI 304) med en materialtykkelse på 2 mm. Et annet eksempel på et materiale som kan sveises med god virkning er en aluminiumlegering.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for lasersveising av metall-arbeidsstykker av aluminium eller en aluminiumlegering, hvor sveisepunktet spyles med en prosessgass, der prosessgassen som benyttes, er en blanding av en edelgass og nitrogen, karakterisert ved at nitrogeninnholdet er minst 0,5 volumprosent, og at edelgassinnholdet i prosessgassen består av rent helium.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nitrogeninnholdet i prosessgassen er minst 1 volumprosent, fortrinnsvis minst 3 volumprosent, mer foretrukket minst 5 volumprosent og spesielt foretrukket 10-50 volumprosent.